一、搬運機器人的設計原理

搬運機器人為可移(yi)動(dong)門架式結構，手臂承載機構可沿著導(dao)軌(gui)(gui)進行(xing)移(yi)動(dong)，導(dao)軌(gui)(gui)安裝(zhuang)與立柱上，位于被看管(guan)設備上方。

1、手臂承(cheng)(cheng)載機構(gou)(gou)沿導軌移動(dong)(dong)，由(you)安裝于(yu)承(cheng)(cheng)載機構(gou)(gou)上的(de)雙(shuang)作用氣缸驅動(dong)(dong)裝置，保證操作機手臂實現600mm的(de)往復運動(dong)(dong)。

2、手(shou)臂在肩(jian)關節中的(de)轉動(dong)，由安裝(zhuang)(zhuang)于(yu)(yu)承載機構上的(de)雙作用氣缸(gang)驅動(dong)裝(zhuang)(zhuang)置，運(yun)動(dong)傳遞機構和安裝(zhuang)(zhuang)于(yu)(yu)肩(jian)部的(de)滾珠絲杠實現。

3、手臂(bei)(bei)在肘關節中的轉動，由安(an)裝于小(xiao)臂(bei)(bei)上的雙作用(yong)氣(qi)缸驅(qu)動裝置，運(yun)動傳遞機構實(shi)現(xian)。

二、搬運機器人的總體設計的思路

設(she)計機器人大體上可分為兩個階段(duan)：

1、系統分析階段

①根(gen)據系(xi)統(tong)的(de)目標，明確(que)所采用(yong)機(ji)器人(ren)的(de)目的(de)和任務。

②分析機器人所在系統的工(gong)作環(huan)境。

③根據機器人(ren)的工作要(yao)求，確定(ding)機器人(ren)的基本功(gong)能(neng)和方(fang)案(an)。如機器人(ren)的自由度、信息的存儲量(liang)(liang)、計算(suan)機功(gong)能(neng)、動作精度的要(yao)求、所能(neng)抓(zhua)取的重(zhong)量(liang)(liang)、容許的運動范圍、以及對溫(wen)度、震動等環(huan)境的適(shi)應性。

2、技術設計階段

①根據系統的要求(qiu)確定機(ji)器(qi)人的自由度和允許的空間工作范圍(wei)，選擇機(ji)器(qi)人的坐標形式。

②擬訂機(ji)器(qi)人的運(yun)動路(lu)線和空間(jian)作業圖。

③確定驅動系統的類型。

④選(xuan)擇各部件的(de)具(ju)體結構，進行機器(qi)人(ren)總裝圖的(de)設計。

⑤繪制(zhi)機(ji)器人的零件圖，并確(que)定尺寸。

三、搬運機器人的結構組成

搬(ban)運機(ji)器人由執行機(ji)構(gou)、驅動機(ji)構(gou)和(he)控(kong)制機(ji)構(gou)三部分(fen)組(zu)成。

1、執行機構

（1）手部

手(shou)部(bu)既直接(jie)與工件接(jie)觸的部(bu)分，一般是回轉型或平動型（多(duo)為回轉型，因(yin)其結構簡單）。手(shou)部(bu)多(duo)為兩指（也有多(duo)指）；根據需(xu)要分為外抓式和內抓式兩種(zhong)；也可以用負壓式或真(zhen)空式的空氣吸(xi)盤(pan)（主要用于可吸(xi)附的，光滑表面的零件或薄(bo)板零件）和電(dian)磁吸(xi)盤(pan)。

傳力(li)(li)機構(gou)形(xing)式較(jiao)多，常用的(de)有：滑槽(cao)杠桿(gan)(gan)式、連(lian)桿(gan)(gan)杠桿(gan)(gan)式、斜楔杠桿(gan)(gan)式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力(li)(li)式。本次設(she)計的(de)手部(bu)選擇夾持(chi)類(lei)回轉型結構(gou)手部(bu)。手部(bu)執(zhi)行依靠桿(gan)(gan)的(de)伸(shen)縮運動(dong)來(lai)實現其張合運動(dong)，桿(gan)(gan)的(de)動(dong)力(li)(li)源(yuan)來(lai)自后續驅動(dong)源(yuan)的(de)液(ye)壓缸，該液(ye)壓缸采用的(de)是伸(shen)縮式液(ye)壓缸，該液(ye)壓缸能夠(gou)節(jie)省橫向的(de)工作空間。

（2）腕部

腕部(bu)是連接手(shou)部(bu)和臂(bei)部(bu)的(de)部(bu)件(jian)，并(bing)可(ke)用來調節被(bei)抓物體的(de)方位，以擴大(da)機(ji)(ji)械手(shou)的(de)動(dong)(dong)(dong)作范圍，并(bing)使機(ji)(ji)械手(shou)變的(de)更(geng)靈巧(qiao)，適應性(xing)更(geng)強。手(shou)腕有(you)(you)獨立的(de)自由(you)度。有(you)(you)回轉運動(dong)(dong)(dong)、上(shang)下擺(bai)動(dong)(dong)(dong)、左右擺(bai)動(dong)(dong)(dong)。一(yi)般腕部(bu)設有(you)(you)回轉運動(dong)(dong)(dong)再增加一(yi)個上(shang)下擺(bai)動(dong)(dong)(dong)即可(ke)滿(man)足工作要求(qiu)，有(you)(you)些動(dong)(dong)(dong)作較為簡單的(de)專用機(ji)(ji)械手(shou)，為了(le)簡化(hua)結構，可(ke)以不設腕部(bu)，而直接用臂(bei)部(bu)運動(dong)(dong)(dong)驅動(dong)(dong)(dong)手(shou)部(bu)搬運工件(jian)。

目前，應用(yong)最為廣泛(fan)的(de)手腕(wan)回轉(zhuan)運(yun)動(dong)機構為回轉(zhuan)液壓（氣）缸，它的(de)結(jie)構緊湊，靈巧(qiao)但回轉(zhuan)角(jiao)(jiao)度小(xiao)（一般(ban)小(xiao)于?270），并且要(yao)求(qiu)嚴格密封，否(fou)則(ze)就(jiu)難保證穩定的(de)輸(shu)出扭矩。因此在要(yao)求(qiu)較(jiao)大回轉(zhuan)角(jiao)(jiao)的(de)情(qing)況下，采(cai)用(yong)齒條傳動(dong)或(huo)鏈輪以(yi)及輪系結(jie)構。本次設計(ji)的(de)搬運(yun)機器(qi)人的(de)腕(wan)部是實(shi)現手部?180的(de)旋轉(zhuan)運(yun)動(dong)。

腕部(bu)(bu)的(de)(de)驅動(dong)(dong)方(fang)(fang)式采用直接(jie)驅動(dong)(dong)的(de)(de)方(fang)(fang)式，由(you)于(yu)腕部(bu)(bu)裝在(zai)手(shou)臂的(de)(de)末端，所以(yi)必(bi)須(xu)設計的(de)(de)十分緊湊(cou)可以(yi)把驅動(dong)(dong)源裝在(zai)手(shou)腕上。機器(qi)人手(shou)部(bu)(bu)的(de)(de)張(zhang)合是由(you)雙作用單柱塞(sai)液(ye)壓缸(gang)驅動(dong)(dong)的(de)(de)；而(er)手(shou)腕的(de)(de)回轉(zhuan)運動(dong)(dong)則由(you)回轉(zhuan)液(ye)壓缸(gang)實現。將夾緊活塞(sai)缸(gang)的(de)(de)外(wai)殼與擺動(dong)(dong)油缸(gang)的(de)(de)動(dong)(dong)片連(lian)接(jie)在(zai)一起；當回轉(zhuan)液(ye)壓缸(gang)中不同的(de)(de)油腔中進(jin)油時即可實現手(shou)腕不同方(fang)(fang)向(xiang)的(de)(de)回轉(zhuan)。

（3）臂部

手(shou)臂部(bu)件是機械手(shou)的重要握持部(bu)件。它的作用(yong)是支撐腕部(bu)和手(shou)部(bu)（包括工作或夾具），并帶動(dong)他們做空間運動(dong)。

臂(bei)(bei)部(bu)(bu)運動的目的：把手部(bu)(bu)送(song)到空間運動范(fan)圍(wei)內任意一(yi)點。如果改變(bian)手部(bu)(bu)的姿態（方(fang)位），則用腕部(bu)(bu)的自由(you)度加以實現。因(yin)此，一(yi)般來說臂(bei)(bei)部(bu)(bu)具有(you)三個自由(you)度才能滿足基本要求，即手臂(bei)(bei)的伸縮、左右旋轉、升(sheng)降（或俯仰）運動。

手(shou)(shou)臂(bei)的(de)(de)(de)各(ge)種運(yun)動(dong)(dong)通常(chang)用驅(qu)動(dong)(dong)機構(gou)（如液壓缸或者氣(qi)缸）和各(ge)種傳動(dong)(dong)機構(gou)來實現，從臂(bei)部(bu)的(de)(de)(de)受力情(qing)況分(fen)析，它在工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)中(zhong)既受腕部(bu)、手(shou)(shou)部(bu)和工(gong)(gong)件的(de)(de)(de)靜、動(dong)(dong)載荷，而且自身運(yun)動(dong)(dong)較為多，受力復雜。因此，它的(de)(de)(de)結構(gou)、工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)范圍(wei)、靈活性以及抓重大小(xiao)和定(ding)位精度直(zhi)接(jie)影響機械手(shou)(shou)的(de)(de)(de)工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)性能。本次(ci)設計實現臂(bei)部(bu)的(de)(de)(de)上下移動(dong)(dong)、前后伸(shen)(shen)縮、以及臂(bei)部(bu)的(de)(de)(de)回轉運(yun)動(dong)(dong)。手(shou)(shou)臂(bei)的(de)(de)(de)運(yun)動(dong)(dong)參數：伸(shen)(shen)縮行(xing)程(cheng)：1200mm；伸(shen)(shen)縮速(su)度：83mm/s；升降行(xing)程(cheng)：300mm；升降速(su)度：67mm/s；回轉范圍(wei)：180~0。機器人手(shou)(shou)臂(bei)的(de)(de)(de)伸(shen)(shen)縮使其手(shou)(shou)臂(bei)的(de)(de)(de)工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)長度發生變化，在圓柱坐標式(shi)結構(gou)中(zhong)，手(shou)(shou)臂(bei)的(de)(de)(de)最大工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)長度決定(ding)其末(mo)端所能達到的(de)(de)(de)圓柱表(biao)面直(zhi)徑(jing)。伸(shen)(shen)縮式(shi)臂(bei)部(bu)機構(gou)的(de)(de)(de)驅(qu)動(dong)(dong)可(ke)采(cai)用液壓缸直(zhi)接(jie)驅(qu)動(dong)(dong)。

（4）機座

機座是機身機器(qi)(qi)人的(de)(de)(de)(de)(de)基礎部(bu)分，起支(zhi)(zhi)撐作用。對(dui)固定(ding)式機器(qi)(qi)人，直接聯接在地面上(shang)，對(dui)可移動(dong)(dong)式機器(qi)(qi)人，則安(an)裝在移動(dong)(dong)結構(gou)上(shang)。機身由臂(bei)(bei)部(bu)運(yun)動(dong)(dong)（升(sheng)降(jiang)、平(ping)移、回(hui)轉和(he)俯仰）機構(gou)及其(qi)(qi)相關的(de)(de)(de)(de)(de)導向(xiang)裝置、支(zhi)(zhi)撐件(jian)等組成。并且，臂(bei)(bei)部(bu)的(de)(de)(de)(de)(de)升(sheng)降(jiang)、回(hui)轉或(huo)俯仰等運(yun)動(dong)(dong)的(de)(de)(de)(de)(de)驅動(dong)(dong)裝置或(huo)傳動(dong)(dong)件(jian)都安(an)裝在機身上(shang)。臂(bei)(bei)部(bu)的(de)(de)(de)(de)(de)運(yun)動(dong)(dong)越(yue)多，機身的(de)(de)(de)(de)(de)結構(gou)和(he)受力越(yue)復雜。本次畢業設計的(de)(de)(de)(de)(de)搬運(yun)機器(qi)(qi)人的(de)(de)(de)(de)(de)機身選用升(sheng)降(jiang)回(hui)轉型機身結構(gou)；臂(bei)(bei)部(bu)和(he)機身的(de)(de)(de)(de)(de)配(pei)置型式采用立柱式單臂(bei)(bei)配(pei)置，其(qi)(qi)驅動(dong)(dong)源來(lai)自回(hui)轉液壓缸(gang)。

2、驅動機構

驅動機構是搬運機器人的(de)重要組成部分。根據動(dong)力源的(de)不同，工業機(ji)械手的(de)驅動(dong)機(ji)構(gou)大(da)致(zhi)可分為液壓(ya)、氣(qi)動(dong)、電(dian)動(dong)和機(ji)械驅動(dong)等(deng)四類。

（1）液(ye)(ye)壓傳(chuan)動。具有較大功率(lv)體積比，常用(yong)于大負載的(de)場(chang)合；壓力(li)、流量均容易控制，可無(wu)級調速；反(fan)應靈敏(min)，可實(shi)現連續軌跡(ji)控制，維修方便；但液(ye)(ye)體對溫(wen)度變化敏(min)感，油液(ye)(ye)泄漏易著火；中小型專用(yong)機(ji)械(xie)手或(huo)機(ji)器人都有應用(yong)，重(zhong)型機(ji)械(xie)手多為液(ye)(ye)壓驅動；液(ye)(ye)壓元件成本較高，油路也(ye)比較復雜。

（2）氣(qi)(qi)壓傳動。氣(qi)(qi)動系統(tong)簡單(dan)(dan)，成本低，適合(he)于節拍快、負載小且(qie)精度要求(qiu)不高(gao)的(de)場合(he)，常用(yong)于點(dian)位控(kong)制、抓取、彈性(xing)握持和真空吸附，可高(gao)速，但沖擊較嚴(yan)重(zhong)，精確定位困難；維修簡單(dan)(dan)，能在高(gao)溫(wen)、粉塵等惡劣(lie)環境中(zhong)使用(yong)，泄漏無影響；中(zhong)小型專用(yong)機械手或(huo)機器(qi)人都有應用(yong)。

（3）電(dian)動(dong)。有異步電(dian)機(ji)(ji)、直流電(dian)機(ji)(ji)、步進或伺服(fu)電(dian)機(ji)(ji)等(deng)電(dian)動(dong)驅動(dong)方(fang)式。電(dian)動(dong)機(ji)(ji)使(shi)用簡單，且隨著材料(liao)性能的提高，電(dian)動(dong)機(ji)(ji)性能也逐(zhu)漸提高，目(mu)前(qian)主要適合于中(zhong)等(deng)負(fu)載，特別是(shi)適合動(dong)作(zuo)復(fu)雜、運動(dong)軌跡嚴格的工(gong)業機(ji)(ji)器人和(he)各種微型機(ji)(ji)器人。

（4）制動器：制動(dong)器(qi)是將機(ji)械(xie)(xie)運動(dong)部(bu)分的(de)能量(liang)變為熱能釋(shi)放，從而(er)使運動(dong)的(de)機(ji)械(xie)(xie)速度(du)降低或者停止(zhi)的(de)裝置，它大致可分為機(ji)械(xie)(xie)制動(dong)器(qi)和電氣(qi)制動(dong)起兩類。在機(ji)器(qi)人機(ji)構中(zhong)，學(xue)要使用制動(dong)器(qi)的(de)情況如下：

①特殊情況下(xia)的瞬間停(ting)止(zhi)和(he)需要采取安(an)全措施(shi)

②停電時，防(fang)止運動(dong)部分下滑而破壞其他裝置。

機械制動器：

機械制(zhi)(zhi)動(dong)器(qi)有螺旋式自動(dong)加載制(zhi)(zhi)動(dong)器(qi)、盤式制(zhi)(zhi)動(dong)器(qi)、閘瓦(wa)式制(zhi)(zhi)動(dong)器(qi)和電磁制(zhi)(zhi)動(dong)器(qi)等幾種(zhong)。其中最典型的是電磁制(zhi)(zhi)動(dong)器(qi)。

在機(ji)器(qi)人的(de)(de)驅動(dong)系統中常(chang)使用(yong)伺服(fu)電動(dong)機(ji)，伺服(fu)電機(ji)本(ben)身的(de)(de)特性決定了電磁制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)器(qi)是不(bu)可缺少的(de)(de)部件。從(cong)原理上講，這種制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)器(qi)就(jiu)是用(yong)彈簧力(li)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)的(de)(de)盤式制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)器(qi)，只(zhi)有勵(li)(li)磁電流通過(guo)線圈時(shi)(shi)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)器(qi)打開，這時(shi)(shi)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)器(qi)不(bu)起制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)作用(yong)，而(er)當電源(yuan)斷開線圈中無勵(li)(li)磁電流時(shi)(shi)，在彈簧力(li)的(de)(de)作用(yong)下處于制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)狀態的(de)(de)常(chang)閉方式。因(yin)此這種制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)器(qi)被稱為無勵(li)(li)磁動(dong)作型電磁制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)器(qi)。又因(yin)為這種制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)器(qi)常(chang)用(yong)于安(an)全(quan)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)場合(he)，所以也稱為安(an)全(quan)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)動(dong)器(qi)。

電氣制動器

電(dian)動(dong)機(ji)(ji)(ji)是將(jiang)(jiang)電(dian)能轉(zhuan)換為機(ji)(ji)(ji)械能的(de)裝(zhuang)(zhuang)置，反之，他(ta)也具有(you)將(jiang)(jiang)旋轉(zhuan)機(ji)(ji)(ji)械能轉(zhuan)換為電(dian)能的(de)發電(dian)功能。換言之，伺服電(dian)機(ji)(ji)(ji)是一種能量轉(zhuan)換裝(zhuang)(zhuang)置，可將(jiang)(jiang)電(dian)能轉(zhuan)換為機(ji)(ji)(ji)械能，同時也能通過其反過程(cheng)來達到制動(dong)的(de)目的(de)。但對于直流電(dian)機(ji)(ji)(ji)、同步電(dian)機(ji)(ji)(ji)和感應電(dian)機(ji)(ji)(ji)等各種不同類(lei)型的(de)電(dian)機(ji)(ji)(ji)，必須分別采用適當的(de)制動(dong)電(dian)路(lu)。

3、控制機構

構建(jian)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)器人平(ping)(ping)臺的(de)(de)(de)核心(xin)是建(jian)立機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)器人的(de)(de)(de)控(kong)(kong)制(zhi)系(xi)(xi)統。首先(xian)需(xu)要選擇(ze)和(he)硬(ying)件(jian)(jian)平(ping)(ping)臺，控(kong)(kong)制(zhi)系(xi)(xi)統硬(ying)件(jian)(jian)平(ping)(ping)臺對于(yu)系(xi)(xi)統的(de)(de)(de)開放(fang)性、實(shi)現方式(shi)和(he)開發(fa)工(gong)作量有很大的(de)(de)(de)影響。一般常用(yong)的(de)(de)(de)控(kong)(kong)制(zhi)系(xi)(xi)統硬(ying)件(jian)(jian)平(ping)(ping)臺應滿(man)足：硬(ying)件(jian)(jian)系(xi)(xi)統基(ji)于(yu)標準(zhun)總(zong)線機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)構，具(ju)(ju)有可伸縮性；硬(ying)件(jian)(jian)結構具(ju)(ju)有必要的(de)(de)(de)實(shi)時計算能力；硬(ying)件(jian)(jian)系(xi)(xi)統模塊化，便于(yu)添加或(huo)更改各(ge)種(zhong)接(jie)口(kou)、傳(chuan)感器和(he)特殊計算機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)等；低成本(ben)。到(dao)目前為止(zhi)，一般機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)器人控(kong)(kong)制(zhi)系(xi)(xi)統的(de)(de)(de)硬(ying)件(jian)(jian)平(ping)(ping)臺可以(yi)大致分為兩類：基(ji)于(yu)VME總(zong)線（Versamodel Eurocard由Motorola公司1981年推出的(de)(de)(de)第(di)一代(dai)32位工(gong)業開放(fang)標準(zhun)總(zong)線）的(de)(de)(de)系(xi)(xi)統和(he)基(ji)于(yu)PC總(zong)線的(de)(de)(de)系(xi)(xi)統。近年來，隨著PC機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)性能的(de)(de)(de)快速發(fa)展，可靠性大為提高，價格卻大幅度降低，以(yi)PC機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)為核心(xin)的(de)(de)(de)控(kong)(kong)制(zhi)系(xi)(xi)統已廣(guang)泛(fan)被機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)器人控(kong)(kong)制(zhi)領域所接(jie)受。